現場總線技術的應用與前景

楊東波

[摘 要]現場總線技術是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，主要解決工業現場的智能化儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通訊以及這些現場設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。

[關鍵詞]現場總線技術;種類;優點;發展現狀;趨勢

現場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于電氣自動化、制造自動化，等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。

由于上述特點，從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。一般把現場總線系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS（集中式控制系統）。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

現場總線以數字信號取代模擬信號，在3C技術即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現場設備，一大批數字化、智能化的高新技術產品應運而生，自動化儀表與控制系統以嶄新的面貌呈現在廣大用戶面前。一般認為“現場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是用于工業控制的計算機系統的工業總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。

從現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System）的角度來看，它的通訊網絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。

目前世界上存在著大約四十余種現場總線，這些現場總線大都用于過程自動化、醫藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，目前的工業總線網絡可歸為三類：485網絡、HART網絡、FieldBUS現場總線網絡。

現場總線技術有以下幾個優點：

1、有助于工業企業降低生產成本、提高生產效率;

2、由于分散在前端的智能設備能執行較為復雜的任務，不再需要單獨的控制器、計算單元等，節省了硬件投資和使用面積;

3、高度的系統集成自主權，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產品;整體系統的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的;

4、提出了以協議轉換方式系統實現互操作的理論方法。協議轉換可以根據通信協議的異同在不同的通信層次通過協議級、服務級和混合的方式實現，為互操作的實現提供理論和實現基礎。

目前，在一些工程中通常的做法是在某種現場總線的基礎上開發能連接其他公司現場總線的接口產品。由于現場總線國際標準尚未建立，多種類型的現場總線枚不勝數，需要開發大量的接口產品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS-DP、MODBUS五種著名現場總線為例，要使它們中任意兩種不同現場總線能統一于一個智能化配電系統中，僅是協議轉換器這種接口產品就要有二十種之多，如果一個系統中有三種或三種以上不同現場總線產品，那麻煩則更大。不少企業，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

由于多現場總線系統中不同類型的產品均配專用的通信協議，有的廠家還專門為自己的產品開發了專用的通信卡、通信控制器等專用設備，因此，整個系統中的產品由于通信協議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙智能自動化控制系統設計中對智能設備的選擇。對應用而言，如果在一個智能化控制系統中每一種智能化產品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化控制系統將變得支離破碎，組態性和靈活性均較差，使得系統的性能價格比不高，而且在系統進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現場總線技術在一個智能化控制系統中的應用已成為一個重要的研究課題。

總之，現場總線技術的興起，開辟了工廠底層網絡的新天地，將不同現場總線的產品和諧地融入一個系統中，充分發揮不同產品的長處，為那些希望使用不同廠家優質產品的用戶提供更大的靈活性。它將促使企業網絡的快速發展，為企業帶來新的效益。

參考文獻：

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